LE LEGGI DEL MONDO FISICO

RIFLETTIAMO SULLE ESPERIENZE QUOTIDIANE PER SPIEGARE CON PAROLE SEMPLICI E CON QUALCHE FORMULA LE LEGGI SCRITTE DA DIO NELLA STRUTTURA DEL MONDO FISICO

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Webmaster ed Autore: Prof. Antonino Cucinotta
Dottore in Fisica
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LA PRIMA LEGGE DELLA DINAMICA (PRINCIPIO D'INERZIA DI GALILEI-NEWTON)

L'IMPULSO DI UNA FORZA E LA QUANTITA' DI MOTO DI UN CORPO

LA SECONDA LEGGE DELLA DINAMICA (LEGGE DI GALILEI-NEWTON)

LA TERZA LEGGE DELLA DINAMICA (PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE DI NEWTON)

LA LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE

LA LEGGE GALILEIANA DI CADUTA DEI GRAVI

IL PRINCIPIO DI RELATIVITA' DI GALILEO

IL PRINCIPIO DI EQUIVALENZA DI EINSTEIN TRA MOTI ACCELERATI E CAMPI GRAVITAZIONALI)

IL TEOREMA DELLE FORZE VIVE (TEOREMA LAVORO-ENERGIA)

ILPRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA QUANTITA' DI MOTO

LA SECONDA LEGGE DELLA DINAMICA DEI SISTEMI MATERIALI IN MOTO ROTATORIO

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DEL MOMENTO ANGOLARE

L'ATTRITO

LA RESISTENZA IDRODINAMICA

LA RESISTENZA AERODINAMICA

IL PRINCIPIO DI PASCAL

I PRINCIPI DI ARCHIMEDE E DI STEVINO

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA

LA PROPAGAZIONE DEL CALORE

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA ED I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA

TRASFORMAZIONI DI CALORE IN LAVORO MECCANICO

L'UNIFICAZIONE RELATIVISTICA DEI PRINCIPI DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA E DELL'ENERGIA

I CAMPI ELETTRICI

IL LAVORO DELLE FORZE ELETTRICHE>

LE LEGGI DI OHM E DI JOULE

I CAMPI MAGNETICI

LA LEGGE DI AMPERE (TEOREMA DELLA CIRCUITAZIONE MAGNETICA)

LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN (LEGGE DI INDUZIONE ELETTROMAGNETICA)

FORZE ELETTROMAGNETCHE (DI LORENTZ) AGENTI SU CARICHE ELETTRICHE IN MOTO IN CAMPI MAGNETICI

FORZE ELETTROMAGNETICHE AGENTI SU CIRCUITI ELETTRICI SOGGETTI A CAMPI MAGNETICI

FORZE ELETTROMAGNETICHE (ELETTRODINAMICHE) AGENTI TRA CIRCUITI ELETTRICI

L'ELETTROMAGNETISMO DI MAXWELL

I CAMPI ELETTROMAGNETICI E LA PROPAGAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LE LEGGI DI RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LA POLARIZZAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

L'INTERFERENZA DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LA DIFFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

L'EFFETTO DOPPLER

LE LEGGI DI OHM E DI JOULE

Ohm scoprì la legge fondamentale dei circuiti elettrici per analogia con il fenomeno della propagazione del calore per conduzione.
Come il flusso di calore Q/t = KS(T1-T2)/L (calorie/secondo) che passa attraverso uno strato di materiale conduttore di lunghezza L, tra le cui sezioni estreme, di area S,esista una data differenza di temperatura T1-T2(con T1>T2), è direttamente proporzionale al salto termico T1-T2, analogamente l'intensità  di corrente I=Q/t (carica elettrica/unità di tempo) che passa attraverso un filo conduttore di lunghezza L e sezione S, è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale
V1-V2 applicata al conduttore: I=k S (V1-V2 )/L, dove k è una costante (conduttività specifica), che dipende dal materiale conduttore.
Il verso convenzionale dell'intensità di corrente I è lo stesso del flusso termico,dai punti a potenziale maggiore (V1) ai punti a potenziale minore (V2).
In realtà, pur valendo tuttora tale convenzione,stabilita prima della scoperta
dell'elettrone, oggi sappiamo che il verso effettivo dell'intensità di corrente in un conduttore coincide con il verso del moto degli elettroni, che, essendo dotati di carica elettrica negativa, si muovono dai punti a potenziale minore verso quelli a potenziale maggiore.
Riscrivendo la legge di Ohm nella forma
V1-V2 = I [L/(Sk)] = I R , si evidenzia la costante di proporzionalità diretta R tra I e la differenza di potenziale V1 -V2.
La resistenza elettrica del conduttore R=L/(Sk) è a sua volta  direttamente proporzionale alla lunghezza del conduttore ed inversamente proporzionale alla sua sezione.

Il passaggio della corrente elettrica in un conduttore implica un lavoro fatto dal campo elettrico che accelera le cariche che costituiscono la corrente.
Questo lavoro,a causa della resistenza R, si trasforma in calore per effetto Joule.
Infatti uno dei tanti metodi utilizzati per determinare sperimentalmente l'equivalente meccanico del calore (numero di joule corrispondenti ad una piccola caloria) o l'equivalente termico del lavoro (numero di piccole calorie corrispondenti ad un joule) consiste nel misurare con un voltmetro, un amperometro ed un cronometro l' energia elettrica
W = V I t = R I t = V2t/R (effetto Joule) che si converte in calore in un resistore R nel tempo t, e contemporaneamente nel misurare con un calorimetro, attraverso l'incremento di temperatura (T2-T1) subito nel tempo t da una data massa M di liquido calorimetrico (acqua o olio minerale) con calore specifico c [calorie/(grammo °C)], la quantità di calore Q = M c (T2-T1) sviluppata dal resistore per effetto Joule.
Il rapporto tra le due misure fornisce il rapporto di equivalenza tra joule e calorie : 4,18 Joule/caloria (0,24 calorie/joule).

I CAMPI MAGNETICI

Già nell'antica Grecia (VI secolo a. C.) si conosceva la proprietà della magnetite (pietra di Magnesia), che è un minerale di ferro (ossido ferroso-ferrico, FeO.Fe2O3) , di attrarre la limatura di ferro comportandosi da calamita (o magnete) naturale.
Un ago magnetico è una sottilissima barretta di acciaio che è stata magnetizzata avvicinandole un pezzo di magnetite, ed è imperniata in modo tale da potere ruotare senza attrito in un piano orizzontale, fino a raggiungere, dopo una serie di oscillazioni, la posizione di equilibrio coincidente con la direzione ed il verso del campo magnetico terrestre.
Tenendo presente che la Terra si comporta come un magnete il cui asse forma con l'asse terrestre un angolo intorno a 11° ed attraversa la superficie terrestre in due punti, i poli magnetici Nord e Sud,vicini ai rispettivi poli geografici, per convenzione si denomina polo Nord dell' ago quello rivolto verso il polo Nord magnetico nella posizione di equilibrio, mentre il polo Sud dell'ago è quello rivolto al polo Sud magnetico.
La bussola, la cui invenzione viene fatta risalire addirittura ai Cinesi, e che fu introdotta nel mondo occidentale intorno al XII secolo fornisce un chiaro esempio dell' azione del campo magnetico terrestre su un ago magnetico.
Un ago magnetico è inoltre un sensibilissimo rivelatore di campi magnetici: ricordiamo in proposito le celebri esperienze del fisico danese Oersted,

che nel 1820 scoprì che un circuito percorso dalla corrente elettrica continua generata da una batteria di pile, posto in prossimità di un ago magnetico, lo fa deviare dalla sua posizione di equilibrio nel campo magnetico terrestre.
Poichè lo stesso effetto si osserva se all'ago magnetico viene avvicinata una calamita, si deduce che un circuito elettrico genera nello spazio circostante un campo magnetico, ed è pertanto equivalente ad un magnete ,come fu dimostrato dal fisico francese Ampere (teorema di equivalenza), poco tempo dopo la scoperta di Oersted.
Per visualizzare un campo magnetico basta della limatura di ferro:
se una calamita viene posta sotto un foglio di cartoncino sul quale sia stata distribuita della limatura di ferro, questa si dispone secondo tante linee curve chiuse,le cosiddette linee di forza del campo magnetico,che si addensano in corrispondenza delle estremità della calamita(poli); si ottiene così uno spettro magnetico,che visualizza l'andamento del campo magnetico nello spazio circostante la calamita.
In modo analogo possono essere visualizzate le linee di forza magnetiche associate ad un circuito elettrico qualsiasi:un circuito rettilineo,una spira conduttrice oppure un avvolgimento ad elica (detto solenoide o bobina) composto da tante spire collegate in serie e percorse dalla stessa corrente.
La differenza fondamentale tra le linee di forza del campo magnetico e quelle del campo elettrico consiste nel fatto che le linee di forza magnetiche sono sempre chiuse, non hanno cioè nè inizio nè fine, come dimostra la classica esperienza della calamita spezzata.

Spezzando in più parti una calamita è impossibile separare il polo Nord da quello Sud, il che dimostra che, a differenza di quanto si verifica con le cariche elettriche, non esistono poli magnetici isolati.
Nel caso del campo elettrico, invece, le linee di forza del campo generato da una carica puntiforme sono, per convenzione, uscenti radialmente dalla carica, se essa è positiva, convergenti nella carica ,se essa è negativa.
In pratica lo spettro magnetico relativo a ciascuno dei suddetti circuiti si può ottenere disponendo della limatura di ferro su un cartoncino attraversato dal conduttore o dalle spire conduttrici.

In particolare, l'intensità H del campo magnetico generato dalla corrente elettrica che passa in un filo rettilineo molto lungo rispetto alla distanza tra di esso ed il punto in cui si misura il campo magnetico, è direttamente proporzionale all'intensità di corrente I (in ampere) ed inversamente proporzionale alla distanza d (in metri)del punto dal filo: H = k I /d (legge di Biot e Savart), (in amperspire per metro, Asp/m) dove k = 0,1592 amperspire/ampere è una costante di proporzionalità che dipende dalle unità di misura adottate nel sistema internazionale delle unità di misura; in questo caso le linee di forza del campo magnetico sono delle circonferenze concentriche giacenti in piani perpendicolari al filo e centrate su di esso.
Nel caso di una spira circolare di raggio R (in metri),il campo magnetico al centro della spira è diretto perpendicolarmente al piano di essa,e la sua intensità H (in Asp/m) è direttamente proporzionale all'intensità di corrente I (in ampere) ed inversamente proporzionale al raggio R (K = 0,5 amperspire/ampere): H = K I / R.
Nel caso di un solenoide rettilineo composto da N spire di raggio molto minore della lunghezza L percorse da una corrente di intensità I, il campo magnetico è diretto lungo l'asse del solenoide e la sua intensità H (in Asp/m) è data da: H = N I/L.
Il campo magnetico generato dal solenoide è uniforme,ha cioè lo stesso valore all'interno di esso,e le sue linee di forza sono parallele all'asse di simmetria.

 

LA LEGGE DI AMPERE
(TEOREMA DELLA CIRCUITAZIONE MAGNETICA)

Le formule riportate derivano dall'applicazione della legge di Ampere, nota anche come teorema della circuitazione del campo magnetico,che afferma che un circuito elettrico genera un campo magnetico le cui linee di forza sono percorsi chiusi, tali che, se si calcola la somma di tanti prodotti elementari infinitesimi, del tipo Hi x dli, dove dli è uno spostamento infinitesimo tangente alla linea di forza e Hi è il relativo valore dell'intensità del campo magnetico,facendo tendere all'infinito il numero di tali prodotti, si trova un valore (integrale di linea o circuitazione) pari all'intensità di corrente I che passa nel circuito.
Se, in casi particolari, le linee di forza magnetiche evidenziano una simmetria rispetto al circuito, come avviene nel caso molto semplice del filo rettilineo che genera il campo magnetico H = K I / R, le cui linee di forza sono circonferenze concentriche di raggio R, si ottiene:
    H x 2pR = I ;      H = I/(2p R ) = 0,1592 x I /R.
Tutti i campi magnetici, sia macroscopici, cioè generati da circuiti elettrici e magneti permanenti (calamite), sia microscopici, cioè generati dai moti orbitali degli elettroni negli atomi e dal momento angolare intrinseco delle particelle subatomiche (spin), sono sempre generati da cariche elettriche in moto rispetto all' osservatore che rileva sperimentalmente la presenza del campo, e quindi da correnti elettriche macroscopiche o microscopiche.
L' ipotesi che anche il campo generato dai magneti permanenti sia dovuto a correnti microscopiche, formulata da Ampere, ha trovato brillante conferma dopo la scoperta dello spin dell'elettrone e dell' associato momento magnetico elementare (magnetone di Bohr).

Esempi

1)il pennello elettronico che produce l' immagine sullo schermo del cinescopio di un televisore o di un monitor, genera un campo magnetico analogo a quello generato da un filo rettilineo percorso dalla corrente;
2) Un fascio di particelle cariche (elettroni,mesoni,protoni,
ioni) che ruotano a velocità prossime a quelle della luce in un sincrotrone (acceleratore circolare di particelle elementari) genera un campo magnetico analogo a quello generato da una spira coincidente con la traiettoria circolare imposta alle particelle dal potente campo magnetico che agisce perpendicolarmente al fascio.

LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN
(LEGGE DI INDUZIONE ELETTROMAGNETICA)

Nel 1831 Michel Faraday scoprì che un circuito elettrico di qualsiasi tipo, anche non comprendente generatori elettrici (dinamo, alternatori, alimentatori, batterie di pile o di accumulatori), ma soltanto componenti passivi (resistori,solenoidi e condensatori,che assorbono energia elettrica),diventa sede di una forza elettromotrice indotta ogni qualvolta esso venga attraversato dalle linee di forza di un campo magnetico variabile.
In sostanza questa legge afferma che facendo variare in funzione del tempo il flusso magnetico concatenato ad un circuito elettrico, cioè il numero delle linee di forza del campo magnetico che attraversano il circuito, si genera nel circuito una tensione elettrica indotta di origine elettromagnetica, come se fosse inserito nel circuito uno speciale generatore elettrico la cui forza elettromotrice sia direttamente proporzionale alla variazione del numero delle linee di forza magnetiche per unità di tempo.

La variazione temporale del flusso magnetico concatenato al circuito si può verificare con diverse modalità:
1) spostando un magnete permanente (calamita), un elettromagnete (elettrocalamita) o un altro circuito elettrico (inducente) percorso da corrente rispetto al circuito elettrico indotto.
In questo caso si dice che le linee di forza magnetiche vengono "tagliate" dal circuito;
2) mantenendo fermi il magnete permanente, l'elettromagnete o il circuito elettrico inducente rispetto al circuito elettrico indotto e facendo variare il contorno di quest' ultimo, in modo tale da determinare una variazione della superficie attraversata dalle linee di forza magnetiche; 3)mantenendo fermi il magnete permanente, l'elettromagnete o il circuito elettrico inducente rispetto al circuito elettrico indotto ed avvicinando o allontanando dal circuito indotto pezzi di materiali ferromagnetici (ferro,acciaio, cobalto, nichel, materiali ferritici,leghe ferromagnetiche (Al-Ni-Co) ),cioè materiali con elevata permeabilità magnetica,capaci di intensificare, magnetizzandosi, il campo magnetico esistente;
4) facendo variare, mediante un resistore variabile (reostato) o in qualsiasi altro modo, l'intensità di corrente nell' elettromagnete o nel circuito elettrico inducente ,mantenuti fermi rispetto al circuito elettrico indotto;
5) Aprendo o chiudendo il circuito dell'elettromagnete o il circuito elettrico inducente.
Analizzando i dati sperimentali relativi a fenomeni fisici apparentemente molto diversi, Neumann espresse la legge d' induzione elettromagnetica con la formula :
E = - DF/Dt , dove E è la forza elettromotrice indotta (f.e.m.) , DF è la variazione del flusso magnetico concatenato al circuito elettrico indotto e Dt è la durata della variazione.
Quanto più rapida è la variazione del flusso magnetico, tanto maggiore è la forza elettromotrice indotta.
Così si spiegano tutti i fenomeni osservati, indipendentemente dalle modalità con cui ha luogo la variazione del flusso magnetico.
Se il circuito indotto è aperto, agli estremi di esso, finchè il flusso magnetico varia in funzione del tempo, si può misurare il valore della f.e.m. indotta, mentre è nulla l'intensità della corrente indotta, essendo il circuito interrotto.
Se invece il circuito indotto è chiuso, si genera in esso una corrente indotta I = E/R, che si ottiene applicando la legge di Ohm, cioè dividendo il valore della f.e.m. indotta E per la resistenza ohmica R del circuito.
Il segno meno fu introdotto da Lenz per esprimere il fatto sperimentale che la corrente indotta ha sempre verso tale da opporsi alla causa che l'ha generata.
Per esempio, se la corrente indotta è causata dall' avvicinamento di un magnete o di un circuito inducente al circuito indotto, la corrente indotta circola in un verso tale da generare un campo magnetico con polarità Nord-Sud tali da tendere a respingere il magnete o il circuito inducente.

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